近59年许昌市降水演变特征分析

杨孟豪， 曹连海,2， 夏 帆， 商震霖

(1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院， 河南 郑州 450046； 2.南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心， 河南 南阳 473061； 3.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

1 研究背景

气候变化将引起降水、径流的时空变化，进而增加了干旱、洪涝等极端气候事件发生的频次[1-3]。IPCC[4]第五次评估报告指出，在全球气候变暖背景下，区域间、雨季与旱季的降水对比度将会更激烈。因此，研究区域降水的演变特征对于了解区域降水发展动态、防洪抗旱具有重要作用[5-8]。

许昌市位于河南省中部，地处南北气候过渡带，气候复杂多变，多旱、涝等气象灾害[9-10]，尤其是旱灾，几乎每年都有发生，已严重影响了许昌市的农业生产[10]；同时，作为首批国家级水生态文明建设试点城市，许昌市却是一个严重缺水的城市[11]，降水资源的有效利用是加快建设许昌市水生态文明的关键。因此，研究许昌市降水演变特征意义重大。苏丰敏等[9]利用五年滑动平均法研究了许昌市年降水量的变化趋势，认为许昌市降水量整体呈现增多趋势，在季节上呈现出春季和秋季减少、夏季和冬季增多的趋势；顾万龙等[12]结合河南省103个站点的降水资料，利用线性相关法分析了河南省1956-2007年降水的变化特征，指出豫中地区降水量呈现减少趋势。综合已有研究发现以下问题：(1)研究所用方法相对单一；(2)研究所用数据多在2007年以前；(3)已有的研究结论不统一；(4)缺乏对许昌市多时间尺度降水突变情况及周期性变化规律的研究。鉴此，本文采用线性回归、Mann-Kendall秩相关检验、累积距平和Morlet连续复小波分析等方法，从年、雨季、旱季时间尺度出发，探讨许昌市1956-2014年降水量的变化趋势、突变情况以及周期性变化规律，以期为许昌市防洪抗旱提供参考，同时可为许昌市水生态文明城市的建设提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 研究区概况

许昌市地处河南省中部(113°03′～114°19′E，33°42′～34°24′N)，总面积4 996 km2，其中山地521.2 km2，丘陵和岗地836.8 km2，平原3 638 km2。许昌市属北暖温带季风气候区，热量资源丰富，无霜期长。全市多年平均降雨量691.2 mm，95%干旱年份降水仅为480.6 mm，而20%湿润年份降水为809.6 mm，降水量年际变化大，年降水量变差系数CV值为0.22；降水年内分配也极不均匀，其中6-9月份降水集中，占全年降水量的62%。许昌市因地处南北气候过渡带，属于大陆性季风气候，年内、年际多旱、涝等气象灾害。

2.2 数据来源与处理

研究区所需降水量数据来源于许昌水文水资源勘测局，所有数据均经过严格的质量检测。因降水量观测起始年份的差异，且考虑到许昌市降水量观测点的迁移、撤销等问题，为了建立时间长度一致、观测稳定的降水量序列，在综合考虑许昌市山地、丘陵和岗地、平原等地形区域分布差异的情况下，最终选取了许昌市13个降水量观测点的月降水量数据作为本文的基础数据，降水量观测点的空间分布情况见图1。降水量数据的时间跨度是1956年1月至2014年12月。

对许昌市降水量数据的处理分析主要是基于Matlab R2017a、Excel 2007、Arcgis 10.2等软件操作平台实现的。许昌市年降水量主要集中在雨季，因此本文对于降水量季节的划分采用雨旱季，即6-9月为雨季，其它月份为旱季。

图1 许昌市降水量观测点空间分布

2.3 研究方法

本次研究主要运用线性回归法[13]、Mann-Kendall秩相关检验法(以下简称M-K法)对许昌市年际和年内降水量进行趋势分析[13-15]和突变状况检验[13,16-17]，并结合累积距平法[18-19]对可能存在的虚假突变时间点进行剔除，确定符合实际的降水突变情况；文中选定M-K值取±1.96，相应的显著性水平为0.05。利用Morlet连续复小波分析法[20-22]研究许昌市降水量的周期性变化规律，提取降水量变化的主周期，揭示多时间尺度降水变化的复杂结构。

3 结果与分析

3.1 降水量变化趋势

通过线性回归得到许昌市年降水量、雨/旱季降水量的时间变化如图2所示。许昌市年降水量最大值出现在1964年(1156.2 mm)，与旱季降水量最大值(623.4 mm)出现的时间点一致；年降水量第二高值时间点出现在1984年(1131.5 mm)，与雨季降水量最大值(906.0 mm)出现的时间点一致。许昌市年际、年内降水量整体上均呈现波动减少趋势，结合降水量变化趋势线可知，许昌市不同时间尺度降水量的减少速率由大到小依次为：年降水量(8.7 mm/10a)>旱季降水量(7.3 mm/10a)>雨季降水量(1.6 mm/10a)。

图2 许昌市降水量变化曲线

通过对许昌市13个降水量观测点年降水量、雨/旱季降水量进行M-K法趋势检验，得到各观测点M-K值的空间分布如图3所示。图3中的降水量背景值是由许昌市13个降水量观测点1956-2014年多年平均降水量借助Arcgis 10.2软件平台的地统计工具，利用克里金空间插值法[23]得到。可以看出许昌市多年平均降水量在年际、年内时间尺度上的空间分布均存在着明显的地区差异，但整体上都呈现出自东北往西南方向降水递增的分布格局。其中，在襄城县、禹州市西南部山地以及鄢陵县南部地区存在着明显的年降水量、雨/旱季降水量高值区，而年降水量、雨/旱季降水量的低值区则主要分布在禹州市北部以及长葛市北部地区。

由图3可得，许昌市13个降水量观测点年降水量、雨/旱季降水量的趋势检验结果均未通过0.05显著性水平检验，都表现为不显著变化趋势。其中，年降水量表现为下降趋势的有11个观测点，表现为上升趋势的有2个观测点；雨季降水量表现为下降趋势的有9个观测点，表现为上升趋势的有3个观测点，无变化的有1个观测点；值得注意的是所有13个观测点的旱季降水量变化趋势一致，均表现为下降趋势。

总体来看，近59年来许昌市年降水量、雨/旱季降水量均呈现为不显著减少趋势(表1)，其中变化趋势M-K检验值的绝对值由大到小依次为：年降水量>旱季降水量>雨季降水量，这与线性回归法得到的降水量变化趋势一致，同时也验证了用M-K法检验许昌市降水量变化趋势是合理的。

图3 各降水量观测点M-K值空间分布

表1 年、雨/旱季降水量M-K值

3.2 降水量突变分析

3.2.1 年降水量突变 通过M-K法和累积距平法研究许昌市年降水量的突变情况，如图4所示。图4(a)表明，许昌市近59年来年降水量表现为波动下降趋势，下降趋势不显著，仅在1959年通过了0.05的显著性水平，之后整体下降趋势微弱。UFk和UBk曲线在1956-1957年、1963-1965年、1970-1971年、1978-1980年、1993-1998年和2011-2012年间有多个交点，并且都在0.05显著性水平内，但若将这些点全部作为突变点显然不合适，进而配以累积距平法进行虚假突变点的剔除。结合累积曲线(图4(b))分析发现，许昌市1956-2014年降水量存在明显的“升”、“降”阶段性变化特征，即1956-1958年降水量表现为增加趋势，1958-1961年降水量大幅度减少，低于多年平均降水量，1961-1964年降水量迅速增加，并于1964年达到了历年降水量最高值，之后在1965-2011年降水量整体呈现“W”型微弱下降趋势，2012-2014年降水量表现为持续下降趋势。综合两种方法推断许昌市的降水突变点在1964年，降水量发生了由多到少的突变，而其它年份的突变不明显。

3.2.2 雨/旱季降水量突变 为进一步了解许昌市年内降水量的突变情况，对年内雨季、旱季的降水量进行突变检验，绘制M-K突变检验曲线及累积曲线如图5。

图4 年降水量M-K突变检验及累积曲线

图5 许昌市雨、旱季降水量M-K法突变检验及累积曲线

由图5(a)可知，许昌市雨季降水量的变化趋势与年降水量的变化趋势相似，整体上表现为不显著的波动下降趋势。其中UFk和UBk曲线于0.05显著性水平内在1956-1957年、1998-1999年和2012-2013年有交点，结合累积曲线(图5(b))发现许昌市1956-2014年雨季降水量变化特征主要表现为：“降-升-降”，即1956-1999年呈现波动下降趋势，1999-2011年呈现波动上升趋势，之后又呈现下降趋势。综合两种分析可知，许昌市雨季降水量可能在1999年发生了由少到多的突变。

从图5(c)可以发现，许昌市旱季降水量的整体变化特征为1999年之前表现为波动增加趋势，之后表现为减少趋势，与年降水量或雨季降水量的变化特征正好相反，但变化趋势都不显著。其中UFk和UBk曲线于0.05显著性水平内的交点在1999-2004年、2012-2014年间，综合累积曲线(图5(d))发现，许昌市旱季降水量的突变点为1999年，降水量发生了由多到少的突变。

3.3 降水量周期性变化

3.3.1 年降水量周期 图6是由Morlet连续复小波分析得到的近59年降水量小波系数实部和小波方差图，其中正值区域代表降水量偏丰，负值区域表明降水量偏枯。由图6可知，许昌市年降水量存在不同时间尺度的变化周期，年降水量的小波系数实部等值线在5、14、22 a这3个时间尺度上比较密集，即许昌市年降水量的整体变化过程存在着3个显著的周期变化特征。按周期震荡程度由大到小分别对应着14、22、5 a的时间尺度，说明许昌市年降水量存在着14、22、5 a的第一、第二、第三主周期。其中14 a时间尺度的周期变化对许昌市降水量序列的方差贡献最大，即许昌市年降水量在1956-2014年59a时间尺度上存在着14 a的强周期。根据14 a的强显著主周期特征，在2014年处于降水负相位和正相位交界处，且将进入正相位区域，可以预测许昌市在2014年之后会进入降水相对偏丰的时期。

据河南省水利网发布的2015年和2016年的水资源公报显示，许昌市2015年和2016年的降水量较2014年分别增加了22.88%、17.64%，这两年的降水情况与小波分析结果一致，也验证了Morlet连续复小波分析用于该地区降水周期性变化的研究是合理的。

3.3.2 雨/旱季降水量周期 图7给出了许昌市雨季、旱季降水量小波系数实部和小波方差，可以发现许昌市雨季、旱季降水量的周期性变化均存在着多个时间尺度。

图6 许昌市年降水量小波系数实部和小波方差图

从图7(a)、7(b)可以得出，雨季降水量的变化周期在中大时间尺度上与全年降水量的相似，存在着14、21 a时间尺度的变化周期，另外雨季降水量还存在着10a时间尺度的强显著变化周期。结合小波方差值来看，10 a为第一主周期，14和21 a年分别为第二、第三主周期。从10和14 a时间尺度看，许昌市雨季降水量小波实部图在2014年均处于负相位即将闭合状态，由此可以判断许昌市雨季降水量也将会很快进入降水相对偏丰时期。

从图7(c)、7(d)可以得出，许昌市1956-2014年旱季降水量的变化周期同样主要存在着三个明显的时间尺度，按周期震荡程度由大到小排列分别为13、8、21 a时间尺度，即13 a时间尺度为第一强显著主周期，8、21 a时间尺度分别为第二、第三主周期。从13 a第一主周期和8 a第二主周期时间尺度来看，许昌市旱季降水量小波实部图在2014年均处于负相位闭合、正相位即将开始状态，以此推断许昌市旱季降水量在2014年之后会迎来降水相对偏丰的时期。

4 讨 论

研究表明，许昌市近59年的降水量呈现出不显著减少趋势，与豫中区域降水呈现减少趋势[12]的研究结果相吻合，但与苏丰敏等[9]认为许昌市降水量整体上呈现增多趋势的结论不一致，可能是由于降水时间序列长度不一导致的。许昌市近59年来年降水量的整体减少趋势为8.7 mm/10a，但只对许昌市近10年来降水量进行线性回归发现，降水量减少速率高达281.5mm/10a，远远大于许昌市多年平均减少速率，尤其是在2013年，更是遭遇了60年一遇的严重旱灾，将研究时间序列扩展到近些年难免会出现与前人研究结果不一致的现象，但将会增强研究结果的可信度和研究成果的实用性。通过对许昌市降水演变特征的研究，可为该地区防洪抗旱和水生态文明建设提供一定的科学依据。

5 结 论

本文开展了许昌市不同时间尺度的降水量变化趋势、突变情况及周期性变化规律的研究，分析了近59年来的降水演变特征，得到以下结论：

(1)许昌市近59年年降水量、雨/旱季降水量分别以8.7、1.6、7.3mm/10a的速率减少。采用M-K法的检验结果与线性回归法的结果一致，年降水量、雨/旱季降水量的M-K值分别为-0.76、-0.24、-0.73，减少趋势都不显著。

(2)许昌市多年平均年降水量、雨/旱季降水量在空间上均呈现出自东北往西南方向递增的分布格局；其中，多年平均年降水量、雨/旱季降水量的高值区都主要分布在襄城县、禹州市西南部山地以及鄢陵县南部地区，而低值区则主要分布在禹州市北部和长葛市北部地区。

(3)通过M-K法结合累计距平联合检验发现许昌市年降水量在1964年发生了由多到少的突变，雨季降水量在1999年发生了由少到多的突变，旱季降水量在1999年发生了由多到少的突变。

(4)许昌市降水量存在着多时间尺度的周期变化特征，年降水量存在着14、22、5 a的第一、第二、第三主周期变化；雨季降水量存在着10、14、21 a的第一、第二、第三主周期变化，旱季降水量存在着13、8、21 a的第一、第二、第三主周期变化。根据主周期判断，年、雨季、旱季降水量将会很快迎来降水偏丰时期。